7.8 Problemi di pianificazione e gestione del sistema

L’acquaponica accoppiata dipende dai nutrienti forniti dalle unità ittiche, sia da un RAS intensivo commerciale o da vasche immagazzinate in condizioni estese in operazioni più piccole. La densità di pesce in quest’ultimo è spesso di circa 15-20 kg/msup3/sup (tilapia, carpa), ma la vasta produzione di pesce gatto africano può essere superiore fino a 50 kg/msup3/sup. Tali diverse densità di stoccaggio hanno un’influenza significativa sui flussi di nutrienti e sulla disponibilità di nutrienti per le piante, sul requisito del controllo e dell’adeguamento della qualità dell’acqua, nonché sulle pratiche di gestione appropriate.

La qualità dell’acqua di processo rispetto alle concentrazioni di nutrienti dipende principalmente dalla composizione del mangime e dai rispettivi tassi di fatturato dei pesci. La differenza tra input di mangimi e nutrienti per mangimi, assimilabili all’interno dei pesci o persi per la manutenzione del sistema, equivale al massimo potenziale di nutrienti disponibili per le piante provenienti dall’acquacoltura. Come notato sopra, le concentrazioni di nutrienti devono essere regolate a livelli, che consentono alle piante di crescere efficacemente. Tuttavia, non tutte le specie ittiche sono in grado di resistere a tali condizioni. Di conseguenza, specie ittiche resilienti come il pesce gatto africano, Tilapia o carpe sono preferiti candidati aquaponici. All’Università di Rostock, il pesce gatto intero e la sua dieta standard sono stati analizzati come valori di output e input per identificare i tassi di fatturato dei macronutrienti N, P, K, Ca, Mg e S e dei micronutrienti Fe, Mn, Mo, Cu, Zn e Se. Ad eccezione di P, oltre il 50% dei nutrienti somministrati ai pesci non vengono trattenuti nel suo corpo e possono essere considerati potenzialmente disponibili come nutrienti vegetali (Strauch et al. 2018; Fig. 7.12). Tuttavia, questi nutrienti non sono equamente distribuiti all’interno dell’acqua di processo e dei sedimenti. Soprattutto i macronutrienti (N, P, K) si accumulano nell’acqua di processo e all’interno della frazione solida mentre i micronutrienti, come il ferro, scompaiono nella frazione solida separata dal chiarificatore. La figura 7.13 mostra la produzione di nutrienti per pulizia del chiarificatore dopo 6 giorni di raccolta dei fanghi in un RAS intensivo di pesce gatto africano. Le proporzioni dei nutrienti essenziali delle piante che si legano nei solidi rispetto alle rispettive quantità che appaiono disciolti sono significative: N = 48%, P = 61%, K = 10%, Ca = 48%, Mg = 16%, S = 11%, Fe = 99%, Mn = 86%, Mo = 100%, Zn = 48% e Cu = 55%.

Fig. 7.12 Nutrienti non utilizzati nell’acquacoltura africana di pesci gatto potenzialmente disponibili per la produzione di piante acquaponiche (dati originali)

Fig. 7.13 Distribuzione di macro e micronutrienti all’interno dell’acqua di processo e dei solidi. (Dati di Strauch et al. (2018))

Uno dei principali fattori di gestione è la disponibilità di ossigeno all’interno del sistema, che è fondamentale per mantenere alta la concentrazione di nitrato di impianto disponibile nell’acqua di processo. I chiarificatori convenzionali applicati in molti RAS rimuovono i rifiuti solidi ricchi di carbonio dal ricircolo, ma li lasceranno a contatto con l’acqua di processo fino al successivo intervallo di pulizia del serbatoio di sedimentazione. Durante questo periodo, la materia organica ricca di carbonio viene utilizzata come fonte di energia denitrificando i batteri, rappresentando perdite significative di nitrato. Si spegne come azoto nell’atmosfera e si perde. In condizioni di produzione intensive, grandi quantità di fanghi organici si accumulano all’interno dei serbatoi di sedimentazione, con conseguenze per la manutenzione, la sostituzione con acqua dolce e successivamente per la composizione nutriente all’interno dell’acqua di processo. La figura 7.14 illustra le concentrazioni di nutrienti nelle vasche di detenzione del pesce gatto africano RAS sotto tre diverse densità di stoccaggio (esteso: 35 pesci/serbatoio, semi-intensivo: 70 pesci/serbatoio, intensivo: 140 pesci/serbatoio). Maggiore è la densità di stoccaggio e minore è il contenuto di ossigeno risultante all’interno del sistema, minore è il nitrato disponibile per kg di alimentazione all’interno del sistema.

Fig. 7.14 N-budget per kg di mangime e livello di ossigeno nell’acquacoltura del pesce gatto africano sotto tre diverse densità di stoccaggio (dati originali)

In generale, con l’aumento dell’intensità dei pesci, la disponibilità di ossigeno all’interno del sistema diminuisce a causa del consumo di ossigeno da parte del pesce e della digestione dei fanghi aerobici all’interno del chiarificatore e dei sottosistemi idroponici. I livelli di ossigeno possono essere mantenuti a livelli più elevati, ma ciò richiede ulteriori investimenti per il monitoraggio e il controllo dell’ossigeno. Questo problema è di enorme importanza per l’acquaponica accoppiata, fin dall’inizio della fase di progettazione dei sistemi, perché i diversi scenari sono determinanti per la produzione ittica pianificata, per la conseguente qualità dell’acqua di processo per le unità produttive dell’impianto e, di conseguenza, per l’economia sostenibilità. Quattro principi di sistemi di produzione acquaponica accoppiati con conseguenze gestionali in termini di progettazione del sistema, procedure di manutenzione e disponibilità di nutrienti per la crescita delle piante, con transizioni tra loro, possono essere definiti come segue:

• Produzione estesa, pesce resiliente all’ossigeno (ad esempio tilapia, carpa), nessun controllo dell’ossigeno, Osub2/sub superiore a 6 mg/L, scarso uso di acqua con alte concentrazioni di nutrienti, piccolo investimento, basso BOD, alto nitrato per kg di mangime.

• Produzione intensiva, pesce resiliente all’ossigeno (ad esempio pesce gatto africano), nessun controllo dell’ossigeno, Osub2/sub inferiore a 6 mg/L, alto consumo di acqua, investimento medio, alto BOD, basso nitrato per kg di mangime, alte concentrazioni di nutrienti.

• Produzione estesa, pesce esigente di ossigeno (ad esempio trota), controllo dell’ossigeno, Osub2/sub superiore a 6-8 mg/L, elevato consumo di acqua, investimento medio, basso BOD, alto nitrato per kg di mangime, basse concentrazioni di nutrienti.

• Produzione intensiva, pesce esigente di ossigeno (ad esempio trota, lucioperca), controllo dell’ossigeno, Osub2/sub superiore a 6-8 mg/L, elevato consumo di acqua, investimento elevato, basso BOD, nitrato medio per kg di mangime.

Oltre alla densità di stoccaggio e alla quantità media di ossigeno all’interno del sistema, il regime di produzione vegetale, cioè la coltivazione in batch o sfalsata, ha conseguenze per le sostanze nutritive disponibili all’interno dell’acqua di processo (Palm et al. 2019). Questo è il caso soprattutto per i pesci a rapida crescita, dove l’aumento del mangime durante il ciclo di produzione può essere così rapido che occorre un tasso di cambio dell’acqua più elevato e quindi la diluizione dei nutrienti può aumentare, con conseguenze per la composizione e la gestione dei nutrienti.

Gli stessi processi ossici o anossici che si verificano nel RAS come parte del sistema acquaponico accoppiato si verificano anche all’interno dei sottosistemi idroponici. Pertanto, la disponibilità di ossigeno ed eventualmente l’aerazione dell’acqua della pianta possono essere fondamentali per ottimizzare la qualità dell’acqua per una buona crescita delle piante. L’ossigeno permette ai batteri eterotrofici di convertire i nutrienti organici legati alla fase disciolta (cioè azoto proteico in ammoniaca) e i batteri nitrificanti per convertire l’ammoniaca in nitrato. La disponibilità di ossigeno nell’acqua riduce anche il metabolismo microbico anossico (cioè batteri nitrati e/o solfati, Comeau 2008), processi che possono avere effetti enormi sulla riduzione delle concentrazioni di nutrienti. L’aerazione delle radici ha anche il vantaggio che l’acqua e i nutrienti vengono trasportati alla superficie della radice e che le particelle che si depositano sulla superficie della radice vengono rimosse (Somerville et al. 2014).